CN105911438A - 一种基于局部放电带电检测的gis风险评估方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于局部放电带电检测的GIS风险评估方法及系统，该方法分别通过特高频天线和超声波传感器采集局部放电信号，通过局部放电类型分析及其局部放电严重程度分析，得到某次局部放电的类型和严重程度；同时可以根据2路特高频信号和或2路超声波信号实现局部放电源的准确定位；结合GIS的运行信息和检修信息可以准确的综合评估其风险程度等级，避免了以往只根据局部放电幅值或频次等单一数据进行评估的不足，具有局放检测灵敏度好、风险评估准确度高的优点。该系统结构简单，操作方便，为提高局放带电检测风险评估准确度提供技术指导，具有检测灵敏度好、评估准确度高的优点。

Description

一种基于局部放电带电检测的GIS风险评估方法及系统

技术领域

本发明涉及电力工程技术领域，具体涉及一种基于局部放电带电检测的GIS风险评估方法及系统。

背景技术

气体绝缘组合电器(Gas Insulated Substation，简称GIS)是以SF₆作绝缘介质的气体绝缘金属封闭开关设备，GIS由于具有占地空间小，运行可靠性高、检修周期长、运输安装方便等优点，自上世纪60年代起，在国内外得到日益广泛应用。过去普遍认为GIS属于无需检修或检修周期长的设备。但随着GIS的广泛应用，GIS设备的运行可靠性也逐渐引起了国际社会和电力部门的普遍关注。从近40年的运行经验来看，绝缘故障始终是影响GIS可靠性的重要因素之一，主要表现为GIS腔体内部遗留异物、金属突出物或存在金属微粒导致放电，绝缘拉杆、盆式绝缘子和支撑绝缘子等部件受潮、脏污和裂纹引起内部或沿面闪络放电等。

由于局部放电是导致GIS设备绝缘劣化直至闪络故障发生的主要表现形式，目前国内外主要通过局部放电的检测和诊断来实现对GIS设备内绝缘缺陷状况的判断与评估。国内外的研究主要集中于以局部放电及油中溶解气体特征信息对变压器或电缆等油纸绝缘设备故障的严重、风险程度进行评估和故障预警预测，而对GIS局部放电的风险评估问题研究较少。在局部放电检测结果的分析方面，检测结果单一的幅值和放电频率的分析已经不能完全评估放电源的危害性，需要建立更为详细和全面的GIS局部放电源风险程度的评估系统。

发明内容

本发明针对现有技术的上述问题，提供一种能够基于现场局部放电带电检测信号，检测灵敏度好、诊断准确度高的GIS局部放电源风险评估方法及系统，用于66kV及以上变电站GIS、罐式断路器等主设备进行局部放电带电检测后对其状态进行风险评估，以指导检修决策。

一种基于局部放电带电检测的GIS风险评估方法，首先采集局部放电信号，然后对局部放电信号进行局部放电类型分析和局部放电源定位，依据局部放电类型进行局部放电严重程度分析；最后，根据局部放电类型、局部放电源位置和局部放电严重程度，结合GIS运行数据和检修数据，对GIS的风险程度进行评估。

所述局部放电严重程度分析是依据对现场测试到的局部放电信号在所属局部放电类型下的信号指标与预存的局部放电类型信号指标指纹库对比，判断局部放电严重程度：

其中预存的指纹库获取流程如下：

1)在实验室的模拟GIS上，设置不同类型的局部放电缺陷，通过逐步施加电压让缺陷劣化以形成不同的缺陷严重程度；

2)分别记录每个电压下的局部放电缺陷产生的局部放电信号；

3)针对每种缺陷，对局部放电信号提取描述信号特征的指标；

4)根据对同一缺陷依次施加电压后获得的局部放电信号的特征指标的最小值与最大值，将每种缺陷个各个指标值从最小值到最大值的数值范围进行均分为3个阶段，并进行归一化处理，再依次划分为第一阶段－起始、第二阶段－发展和第三阶段－严重；

5)依据4)获得的各缺陷的各指标的3个阶段范围数值，对各缺陷进行严重程度划分，获得每种缺陷类型的严重程度的指纹数据库。

所述局部放电类型包括五种，依次为尖端放电、悬浮放电、自由金属放电、绝缘子沿面放电以及绝缘气隙放电，各缺陷放电类型、放电发展阶段与放电严重程度之间的关系如下表所示：

表1 CD与放电缺陷类型和放电发展阶段间的关系

其中，CD表示缺陷严重程度值，自由金属放电缺陷中的严重程度值在起始阶段位于0-0.4之间。

考虑到自由金属放电缺陷的严重程度绝大部分处于比较低的层次；

所述对GIS的风险程度进行评估是按以下公式计算风险程度值FP，依据所计算获得的FP值按照所属的风险等级[0-0.2]，(0.2-0.4]，(0.4-0.6]，(0.6-0.8]，(0.8-1]进行风险程度评估：

$FP=1-(1-({\mathrm{CD}}_{min}+\frac{\underset{i=1}{\overset{N_{pd}}{\Σ}}{A}_i}{N_{pd}}\left({\mathrm{CD}}_{max}-{\mathrm{CD}}_{min}\right)\left)\right)\·C$

其中，CD_min、CD_max分别表示对应缺陷的在对应阶段的放电严重程度范围的最小值和最大值，Ai表示局部放电风险评估的影响因素，取值范围为[0-1]，N_pd为局部放电风险评估的影响因素的个数；所属局部放电风险评估的影响因素包括缺陷位置、设备遭受过电压概率、故障停电检修成本及停电影响范围，其中缺陷位置由局部放电定位模块获得，设备遭受过电压水平、故障停电检修成本及停电影响范围的取值由运行检修数据确定，如表2所示：

表2局部放电风险评估影响因素

其中，C表示局部放电类型识别与严重程度诊断的置信度水平，取值范围为0-1。

一种基于局部放电带电检测的GIS风险评估系统，采用上述的评估方法，包括局部放电信号采集单元、局部放电类型识别单元、局部放电源定位单元、局部放电严重程度分析单元、运行检修数据输入单元和局部放电风险评估单元；

所述局部放电信号采集单元包括用于采集局部放电电磁波信号的2路特高频天线和用于采集局部放电声波信号的2路超声波传感器，所述特高频天线、超声波传感器的输出端通过同轴电缆分别与所述局部放电类型识别单元和所述局部放电源定位单元相连；

所述局部放电类型识别单元与所述局部放电严重程度分析单元相连；

所述局部放电类型识别单元、局部放电严重程度分析单元、局部放电源定位单元及运行检修数据输入单元均与所述局部放电风险评估单元相连。

所述局部放电类型识别单元包括信号调理单元、信号特征提取单元和局部放电类型识别单元；

所述信号调理单元由低噪声放大器组成，所述信号特征提取单元由包络检波器、中置放大器和模数转换器组成，信号调理单元输出端与信号特征提取单元输入端相连，信号特征提取单元输出端与局部放电类型识别单元输入端相连。

所述特高频天线的带宽为300M～1500MHz，灵敏度-65dBm；所述超声波传感器的带宽为10k～100kHz，中心频率60kHz。

所述局部放电信号采集单元通过射频同轴电缆分别与局部放电类型识别单元和局部放电源定位单元相连，所述射频同轴电缆的阻抗为50欧姆，所述特高频天线、超声波传感器两者的特征阻抗均为50欧姆。

所述运行检修数据输入单元的输入信息包括GIS的温度、湿度、负荷、SF6气体压力、过电压水平和波形持续时间运行信息，以及GIS检修时间周期、检修成本、缺陷故障停电影响范围检修信息。

有益效果

本发明提供了一种基于局部放电带电检测的GIS风险评估方法及系统，该方法分别通过特高频天线和超声波传感器采集局部放电信号，通过局部放电类型分析及其局部放电严重程度分析，得到某次局部放电的类型和严重程度；同时可以根据2路特高频信号和或2路超声波信号实现局部放电源的准确定位；结合GIS的运行信息和检修信息可以准确的综合评估其风险程度等级，避免了以往只根据局部放电幅值或频次等单一数据进行评估的不足，具有局放检测灵敏度好、风险评估准确度高的优点。

该系统包括局部放电信号采集单元、局部放电类型分析单元、局部放电源定位单元、局部放电严重程度分析单元、运行检修数据输入单元和局部放电风险评估单元，根据局部放电的类型、位置、严重程度、温湿度与气体压力等运行数据以及停电检修成本、停电影响范围等检修数据对GIS局部放电的风险进行评估，为提高局放带电检测风险评估准确度提供技术指导，具有检测灵敏度好、评估准确度高的优点。

附图说明

图1为本发明实施例系统的主要框架结构示意图；

图2为本发明实施例系统的详细框架结构示意图；

图3为本发明实施例系统的详细框架结构示意图；

图例说明：1、局部放电信号采集单元；2、局部放电类型分析单元；21、信号调理单元；22、信号特征提取单元；221、包络检波器；222、中置放大器；223、模数转换器；23、局部放电类型识别单元；3、局部放电源定位单元；4、局部放电严重程度分析单元；5、运行检修数据输入单元；6、局部放电风险评估单元。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

一种基于局部放电带电检测的GIS风险评估方法，具体过程为：分别采用2路特高频天线和2路超声波传感器采集局部放电信号，分别进行局部放电类型识别和局部放电源定位，通过识别局部放电类型后再进行局部放电严重程度的分析；结合输入的GIS运行数据和故障检修数据，根据局部放电类型、局部放电源位置、局部放电严重程度对GIS的风险等级进行评估。

如图1所示，本实施例基于局部放电带电检测的GIS风险评估系统包括局部放电信号采集单元1、局部放电类型分析单元2、局部放电源定位单元3、局部放电严重程度分析单元4、运行检修数据输入单元5和局部放电风险评估单元6，所述局部放电信号采集单元1包括用于采集局部放电电磁波信号的2路特高频天线、用于采集局部放电声波信号的2路超声波传感器，所述特高频天线、超声波传感器的输出端通过同轴电缆分别与所述局部放电类型分析单元2和所述局部放电源定位单元3相连。

如图2所示，本实施例中所述局部放电信号采集单元1包括用于采集局部放电电磁波信号的2路特高频天线和用于采集局部放电声波信号的2路超声波传感器，所述特高频天线、超声波传感器的输出端通过同轴电缆分别与所述局部放电类型分析单元2和所述局部放电源定位单元3相连。本实施例中，所述局部放电信号采集单元1的特高频天线的带宽为300M～1500MHz，灵敏度-65dBm；所述局部放电信号采集单元1的超声波传感器的带宽为10k～100kHz，中心频率60kHz。本实施例中，所述局部放电信号采集单元1的同轴电缆阻抗为50欧姆，驻波比小于1.2，带宽0～2000MHz，可以最大限度降低对采集到的信号的抑制。

如图2所示，本实施例中局部放电类型分析单元2包括信号调理单元21、信号特征提取单元22和局部放电类型识别单元23，信号调理单元输出端与信号特征提取单元输入端相连，信号特征提取单元输出端与局部放电类型识别单元输入端相连。

如图2所示，所述信号调理单元21由低噪声前置放大器组成，用于将所述局部放电信号采集单元1采集到的原始信号进行放大。本实施例中，用于放大特高频信号的低噪声前置放大器的带宽为200M～1800MHz，增益为40dB；用于放大超声波信号的低噪声前置放大器的带宽为1k～150kHz，增益为40dB。

如图3所示，所述信号特征提取单元22由包络检波器221、中置放大器222和模数转换器223组成。所述包络检波器221用于提取信号波形的峰峰值包络线，所述中置放大器222将检波后的信号放大，所述模数转换器223将模拟信号转换为数字信号。所述包络检波器221输入端与所述信号调理单元21输出端相连，所述包络检波器221输出端与所述中置放大器222输入端相连，所述中置放大器222输出端与所述模数转换器223输入端相连。所述中置放大器222的带宽为0～10MHz，增益为10～30dB可调；所述模数转换器223的采样率为30MSa/s，采样精度为10Bit。需要说明的是，本实施例中特高频和超声波两个信号特征提取单元是以同一个包络检波器221、中置放大器222和模数转换器223进行示例性说明，毫无疑问在此启发下，本领域技术人员也可以根据需要采用两个独立的包络检波器221、中置放大器222和模数转换器223来实现对两个信号的特征提取，其原理与本实施例相同。

如图2所示，所述局部放电类型识别单元23输入端与所述所述信号特征提取单元22输出端相连，通过对所述信号特征提取单元22提取后的信号进行数学处理，以局部放电相位脉冲序列图PRPS、相位分布图PRPD方式展示，并提取相关PRPS和PRPD谱图特征参数；所述局部放电类型识别单元23预先存储实验室各种局部放电类型指纹库，通过现场测试到的局部放电信号提取形成的特征数据与预存的指纹库对比，判断局部放电类型。

如图2所示，所述局部放电严重程度分析单元4输入端与所述局部放电类型分析单元2输出端相连，所述局部放电严重程度分析单元4预先存储实验室各种局部放电类型不同严重程度下的指纹库，通过现场测试到的局部放电信号由所述局部放电类型分析单元2判断出类型后与预存的指纹库对比，判断局部放电严重程度。其中预存的指纹库获取流程如下：1)在实验室的模拟GIS上，设置不同类型的局部放电缺陷，通过逐步施加电压让缺陷劣化以形成不同的缺陷严重程度；2)分别记录每个电压下的局部放电缺陷产生的局部放电信号；3)针对每种缺陷，对局部放电信号提取描述信号特征的指标，如放电率、幅值等；4)根据局放信号的指标的最小值与最大值，将其均分为3个阶段(包括第一阶段－起始、第二阶段－发展和第三阶段－严重)，得到3个阶段的指标值，据此可以形成每种缺陷类型的严重程度数据库。

如图2所示，所述局部放电源定位单元3输入端与所述局部放电信号采集单元1输出端相连，所述局部放电源定位单元3根据所述局部放电信号采集单元1的2路特高频信号和2路超声波信号进行定位。具体为：如果只能采集到特高频信号，则用2路特高频信号进行定位；如果只能采集到超声波信号，则用2路超声波信号进行定位；如果特高频信号和超声波信号均能采集到，则首先用2路特高频信号定位，在其基础上再用1路特高频信号和1路超声波信号定位，最后用2路超声波信号进一步定位。所述局部放电源定位单元3得到局部放电源的位置，输出到所述局部放电风险评估单元6。

如图2所示，所述运行检修数据输入单元5输出端与所述局部放电风险评估单元6输入端相连，所述运行检修数据输入单元5提供输入界面，允许用户输入GIS温湿度与SF₆气体压力等运行数据以及故障停电检修成本、停电影响范围等检修数据。

如图2所示，所述局部放电风险评估单元6输入端分别与所述局部放电类型分析单元2、所述局部放电源定位单元3、所述局部放电严重程度分析单元4和所述运行检修数据输入单元5输出端相连。综合局部放电类型、局部放电源位置、局部放电严重程度和运行检修数据，评估局部放电风险等级，风险等级分为5个等级，按照风险递增，各等级评估结果取值范围分别为[0-0.2]，(0.2-0.4]，(0.4-0.6]，(0.6-0.8]，(0.8-1]。

具体评估方法步骤为：

1)由局部放电类型分析单元2判断某次放电的类型，根据类型和放电发展阶段确定局部放电严重程度CD的取值，其范围为[0-1]之间，不同的放电类型其放电严重程度的定义范围不同，尖刺放电的严重程度范围为[0-0.6]，悬浮放电的严重程度范围为[0.2-0.8]，自由金属放电的严重程度范围为[0-0.8]，绝缘子沿面放电的严重程度范围为[0.6-1]，绝缘气隙放电的严重程度范围为[0.2-0.8]，具体如表1所示。如某次放电的类型为悬浮放电，且放电阶段是第三阶段，则放电严重程度CD为[0.6-0.8]。

表1 CD与放电缺陷类型和放电发展阶段间的关系

2)设定A_i表示局部放电风险评估的影响因素：即缺陷位置(由局部放电源定位单元3给出)，设备遭受过电压概率、故障停电检修成本、停电影响范围因素(运行检修数据输入单元5给出)，取值范围为[0-1]，在影响因素未确定的情缺省设置为1。N_pd为影响因素的个数。

3)设定局部放电类型识别与严重程度诊断的置信度水平C(取值范围0-1)，C＝C₁*C₂，其中C₁为局部放电类型识别置信度(取值范围0-1)，为严重程度诊断置信度C₂(取值范围0-1)；设定某类局部放电故障缺陷的风险程度为FP，局部放电风险评估单元6根据式(1)计算特定缺陷的故障概率FP。根据FP值的大小，判断GIS的风险等级。

$FP=1-(1-({\mathrm{CD}}_{min}+\frac{\underset{i=1}{\overset{N_{pd}}{\Σ}}{A}_i}{N_{pd}}\left({\mathrm{CD}}_{max}-{\mathrm{CD}}_{min}\right)\left)\right)\·C---\left(1\right)$

其中，CD_min、CD_max分别表示对应缺陷的在对应阶段的放电严重程度范围的最小值和最大值，Ai表示局部放电风险评估的影响因素，取值范围为[0-1]，N_pd为局部放电风险评估的影响因素的个数；所属局部放电风险评估的影响因素包括缺陷位置、设备遭受过电压概率、故障停电检修成本及停电影响范围，其中缺陷位置由局部放电定位模块获得，设备遭受过电压水平、故障停电检修成本及停电影响范围的取值由运行检修数据确定，如表2所示：

表2局部放电风险评估影响因素

其中，C表示局部放电类型识别与严重程度诊断的置信度水平，取值范围为0-1。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于局部放电带电检测的GIS风险评估方法，其特征在于，首先采集局部放电信号，然后对局部放电信号进行局部放电类型分析和局部放电源定位，依据局部放电类型进行局部放电严重程度分析；最后，根据局部放电类型、局部放电源位置和局部放电严重程度，结合GIS运行数据和检修数据，对GIS的风险程度进行评估。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述局部放电严重程度分析是依据对现场测试到的局部放电信号在所属局部放电类型下的信号指标与预存的局部放电类型信号指标指纹库对比，判断局部放电严重程度：

其中预存的指纹库获取流程如下：

1)在实验室的模拟GIS上，设置不同类型的局部放电缺陷，通过逐步施加电压让缺陷劣化以形成不同的缺陷严重程度；

2)分别记录每个电压下的局部放电缺陷产生的局部放电信号；

3)针对每种缺陷，对局部放电信号提取描述信号特征的指标；

4)根据对同一缺陷依次施加电压后获得的局部放电信号的特征指标的最小值与最大值，将每种缺陷个各个指标值从最小值到最大值的数值范围进行均分为3个阶段，并进行归一化处理，再依次划分为第一阶段－起始、第二阶段－发展和第三阶段－严重；

5)依据4)获得的各缺陷的各指标的3个阶段范围数值，对各缺陷进行严重程度划分，获得每种缺陷类型的严重程度的指纹数据库。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述局部放电类型包括五种，依次为尖端放电、悬浮放电、自由金属放电、绝缘子沿面放电以及绝缘气隙放电，各缺陷放电类型、放电发展阶段与放电严重程度之间的关系如下表所示：

表1 CD与放电缺陷类型和放电发展阶段间的关系

其中，CD表示缺陷严重程度值，自由金属放电缺陷中的严重程度值在起始阶段位于0-0.4之间。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对GIS的风险程度进行评估是按以下公式计算风险程度值FP，依据所计算获得的FP值按照所属的风险等级[0-0.2]，(0.2-0.4]，(0.4-0.6]，(0.6-0.8]，(0.8-1]进行风险程度评估：

$FP=1-(1-({\mathrm{CD}}_{min}+\frac{\underset{i=1}{\overset{N_{pd}}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i}{N_{pd}}\left({\mathrm{CD}}_{max}-{\mathrm{CD}}_{min}\right)\left)\right)\·C$

其中，CD_min、CD_max分别表示对应缺陷的在对应阶段的放电严重程度范围的最小值和最大值，Ai表示局部放电风险评估的影响因素，取值范围为[0-1]，N_pd为局部放电风险评估的影响因素的个数；所属局部放电风险评估的影响因素包括缺陷位置、设备遭受过电压概率、故障停电检修成本及停电影响范围，其中缺陷位置由局部放电定位模块获得，设备遭受过电压水平、故障停电检修成本及停电影响范围的取值由运行检修数据确定，如表2所示：

表2 局部放电风险评估影响因素

其中，C表示局部放电类型识别与严重程度诊断的置信度水平，取值范围为0-1。

5.一种基于局部放电带电检测的GIS风险评估系统，其特征在于，采用权利要求1-4任一项所述的评估方法，包括局部放电信号采集单元、局部放电类型识别单元、局部放电源定位单元、局部放电严重程度分析单元、运行检修数据输入单元和局部放电风险评估单元；

所述局部放电信号采集单元包括用于采集局部放电电磁波信号的2路特高频天线和用于采集局部放电声波信号的2路超声波传感器，所述特高频天线、超声波传感器的输出端通过同轴电缆分别与所述局部放电类型识别单元和所述局部放电源定位单元相连；

所述局部放电类型识别单元与所述局部放电严重程度分析单元相连；

所述局部放电类型识别单元、局部放电严重程度分析单元、局部放电源定位单元及运行检修数据输入单元均与所述局部放电风险评估单元相连。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述局部放电类型识别单元包括信号调理单元、信号特征提取单元和局部放电类型识别单元；

所述信号调理单元由低噪声放大器组成，所述信号特征提取单元由包络检波器、中置放大器和模数转换器组成，信号调理单元输出端与信号特征提取单元输入端相连，信号特征提取单元输出端与局部放电类型识别单元输入端相连。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述特高频天线的带宽为300M～1500MHz，灵敏度-65dBm；所述超声波传感器的带宽为10k～100kHz，中心频率60kHz。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述局部放电信号采集单元通过射频同轴电缆分别与局部放电类型识别单元和局部放电源定位单元相连，所述射频同轴电缆的阻抗为50欧姆，所述特高频天线、超声波传感器两者的特征阻抗均为50欧姆。

9.根据权利要求5-8任一项所述的系统，其特征在于，所述运行检修数据输入单元的输入信息包括GIS的温度、湿度、负荷、SF6气体压力、过电压水平和波形持续时间运行信息，以及GIS检修时间周期、检修成本、缺陷故障停电影响范围检修信息。